CN115575496B - 一种基于反距离权重的高分辨力超声频域全聚焦方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于无损检测领域，提出了一种基于反距离权重的高分辨力超声频域全聚焦方法。使用全聚焦信号采集系统和相控阵探头进行全聚焦信号采集，结合采样频率、声速、探头阵元间距，确定待测区域离散网格点之间的位置关系，构建各点的反距离权重函数，扩展频域成像所用全聚焦信号；对扩展后的全聚焦信号进行傅里叶变换，利用横向和纵向波数计算相应的迁移因子，通过逐层递推获得高分辨力的频域全聚焦图像，最终实现缺陷检出和定量。该方法一定程度上摆脱了频域算法和探头间距带来的横向分辨力的限制，具有分辨力高、图像平滑的优点，对于邻近缺陷有较好的识别能力，具有一定的工程应用前景。

Description

一种基于反距离权重的高分辨力超声频域全聚焦方法

技术领域

本发明涉及无损检测领域，尤其涉及一种基于反距离权重的高分辨力超声频域全聚焦方法。

背景技术

全聚焦方法是近年来新兴的一种超声无损检测技术，与相控阵超声成像相比，该方法可以通过定义高密度网格，并对检测区域进行逐点聚焦，从而获得良好分辨力。然而，基于延时叠加的时域全聚焦方法成像时间长、效率低，限制了其实际应用(章东，桂杰，周哲海.超声相控阵全聚焦无损检测技术概述[J].仪器仪表学报)。为解决这一问题，基于波场外推的频域全聚焦方法得到发展，通过逐层递推反演成像，实现成像区域网格点幅值的逐行累积，提高了成像效率，同时具有更高信噪比(陈尧，冒秋琴，陈果，等.基于Omega-K算法的快速全聚焦超声成像研究[J].仪器仪表学报)。

现有超声频域全聚焦方法研究大多集中于提高成像效率，以及多层介质成像算法改进。然而，方法应用时的横向分辨力受制于最大横向波数与阵元间距。阵元间距越大，空间采样间隔越大，则成像所用的波数范围减小，导致信号幅值随阵元和目标点之间横向位置差的增加而衰减，横向分辨力降低(C.Jiang,Y.Li,K.Xu,et al,Full-matrix phaseshift migration method for transcranial ultrasonic imaging,IEEE Transactionson Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control)。横向分辨力是指沿声波主声束轴线垂直方向上，可对两个点目标进行区分的最小距离，是评价超声成像质量的重要指标。横向分辨力不足会限制邻近缺陷的成像辨识，并造成图像失真和定量误差增大(S.Q.Shi,L.Lin,Z.B.Luo,et al,Resolution enhancement of ultrasonic imaging atoblique incidence by using WTFM based on FMC-AR,Measurement)。因此，有必要发展一种基于反距离权重的高分辨力超声频域全聚焦方法，在提高成像效率的同时，改善横向分辨力。

发明内容

本发明提供一种基于反距离权重的高分辨力超声频域全聚焦方法，目的是针对现有频域全聚焦方法成像时，相控阵探头阵元分布限制横向分辨力的问题，利用全聚焦信号采集系统和相控阵探头获取全聚焦信号，并引入反距离权重处理实施数据扩展，进而实施频域全聚焦成像，实现分辨力提升。

本发明的技术方案如下：一种基于反距离权重的高分辨力超声频域全聚焦方法，采用全聚焦信号采集系统1和相控阵探头2进行全聚焦信号采集获得原始数据；结合采样频率、声速、探头阵元间距，确定待测区域离散网格点之间的位置关系，构建各网格点的反距离权重函数；根据反距离权重函数对原始数据进行插值，扩展频域成像所用全聚焦信号；对扩展后的全聚焦信号进行傅里叶变换，利用横向波数和纵向波数计算迁移因子，通过逐层递推获得高分辨力的频域全聚焦图像，最终实现缺陷检出和定量；具体包括步骤如下：

步骤1.确定检测参数

针对待测样品的材料、形状、尺寸信息以及待检测区域范围，确定相控阵探头2的型号、阵元数量和中心频率；

步骤2.采集全聚焦信号

利用全聚焦信号采集系统1及阵元数为n、探头阵元间距为l的相控阵探头2采集信号，得到包含n²个A扫描信号的全聚焦信号S；将由阵元i发射，阵元j接收的A扫描信号定义为S_ij，其中，1≤i≤n，1≤j≤n；每个A扫描信号具有Nt个数据点，全聚焦信号S维度为n×n×Nt；

步骤3.待测区域网格划分及反距离权重数据扩展

将待测区域离散网格化，网格点即为各成像点位置，共计Nt×n个网格点；相邻网格点横向间隔等于阵元间距l，迁移深度d通过下式得到

式中，v表示待测样品中的声速，fs表示采样频率；

在全聚焦信号S中等间隔设置填充点，填充点处填充幅值为0的A扫描信号，得到扩展后的全聚焦信号S_interp，其维度为N×N×Nt，N为数据扩展后的横向网格点数量，N＞n，共计N×Nt个离散网格点；通过反距离权重函数处理对填充点进行逐点重新赋值；

计算扩展后的全聚焦信号S_interp中各填充点与第p个相邻全聚焦信号数据点的距离dis_p(x_new,y_new)，如下式所示：

式中，x_p、y_p表示第p个相邻全聚焦信号数据点的横坐标、纵坐标，x_new、y_new表示填充点的横坐标、纵坐标；

对a个相邻全聚焦信号数据点进行幅值重构，反距离权重函数ele_p(x_new,y_new)由式3)给出：

在此基础上，填充点的重构幅值A(x_new,y_new)如式4)所示，A_p(x_new,y_new)代表第p个相邻全聚焦信号数据点的幅值；

对S_interp中每个填充点重复进行式2)-4)的流程，得到最终扩展后的全聚焦信号SS_interp，并将SS_interp中信号所对应的阵元称为虚拟阵元；

步骤4.全聚焦频域成像

根据步骤3得到的最终扩展后的全聚焦信号SS_interp，确定重构成像的横向间距xs，xs<l，由式5)和式6)计算纵向波数ω(k)和横向波数kx(kk)：

式中，k的取值范围为(-Nt，Nt)，kk的取值范围为(-N，N)，分别反映了ω和kx变化范围；

将SS_interp拆分为N个Nt×N数值矩阵SS_interp-m，1≤m≤N，经过傅里叶变换后，第m个数值矩阵SS_interp-m转化为阵列频谱FFTS_m，结合迁移深度d，计算迁移因子矩阵F_m，其中各元素F_m(ω,kx)如式7)所示：

同时，以第1个阵元中心为原点建立直角坐标系，计算虚拟阵元位置点到各离散网格点所对应的时间序列T_m(t)：

式中，t代表信号采样序列；

将傅里叶变换后的阵列频谱FFTS_m与迁移因子矩阵F_m相乘，并进行逆傅里叶变换，之后选择对应时间序列T_m中的幅值进行累加，逐层递推得到成像结果P_m；最后，将成像结果P_m进行叠加，得到完整的全聚焦图像P，如式9)所示；

读取全聚焦图像中最强波峰作为缺陷所在位置，在-6dB范围内进行缺陷检测和定量。

本发明的有益效果：基于反距离权重的高分辨力超声频域全聚焦方法利用全聚焦信号采集设备进行数据采集和信号处理，扩展了可应用的全聚焦信号范围。同时，在一定程度上改善了探头阵元间距带来的成像限制，提高了频域全聚焦成像质量，图像更加平滑，分辨力得到改善，对邻近缺陷具有更好的识别能力，具有较好应用前景。

附图说明

图1是采用的全聚焦信号采集系统和相控阵探头示意图。

图2是加工了邻近横通孔的铝合金试块示意图。

图3是使用常规频域全聚焦方法的邻近横通孔成像结果。

图4是使用基于反距离权重的高分辨力超声频域全聚焦方法的邻近横通孔成像结果。

图中：1-全聚集信号采集系统；2-相控阵探头。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

基于反距离权重的高分辨力超声频域全聚焦方法，采用的全聚焦信号采集系统1和相控阵探头2组成的超声检测系统，如图1所示，具体的检测及处理步骤如下：

步骤(a)、被检试块为厚度为35mm的铝合金，试块中的纵波声速为v＝6350m/s。在其中加工了直径1mm、上端点深度19mm、中心间距3.8mm的两个横通孔，如图2所示。

步骤(b)、利用全聚焦信号采集系统1，采用2.25MHz、32阵元、阵元间距l＝0.6mm的相控阵探头2置于缺陷正上方进行全聚焦信号采集，采样频率fs＝80MHz，得到的全聚焦信号S维度为32×32×1300。

步骤(c)、建立直角坐标系并将检测区域划分为64×1300个网格点，其中，原始信号数据点位于N＝1、3、5、…、61、63所对应纵向网格点上，其余位置由幅值为0的A扫描信号进行填充，并通过反距离加权处理对这些填充点进行逐点赋值，从而得到最终扩展后的全聚焦信号SS_interp，其维度为64×64×1300，相邻点横向间距xs＝0.3mm。将SS_interp拆分为64个子矩阵SS_interp-m，并分别进行傅里叶变换，得到每个子矩阵的阵列频谱FFTS_m。

步骤(d)、根据阵元分布、横向间距、横纵向波数范围、声速、采样频率等参数，计算迁移因子矩阵F_m和各阵元到各聚焦点的时间序列T_m，并在频域中每隔d＝0.04mm对FFTS_m与F_m进行乘积，得到的结果经傅里叶逆变换后，在时间序列T_m中寻找对应的时间延迟后即可逐层递推得到成像结果P_m。将64个子矩阵SS_interp-m的成像结果P_m进行叠加，即可得到完整的全聚焦图像P。

(e)图3和图4分别给出了利用原始全聚焦数据集S，以及反距离权重处理后全聚焦数据集SS_interp的频域成像结果。对比可见，使用S进行成像时，难以区分两个相邻的横通孔，而使用本发明专利提出的方法扩展全聚焦信号并进行成像，可以在-6dB范围内区分相邻横通孔，且横通孔深度和中心间距的测量值分别为18.9mm和3.6mm，定量误差分别不超过0.5％和5.3％。

以上示例性实施方式所呈现的描述仅用以说明本发明的技术方案，并不想要成为毫无遗漏的，也不想要把本发明限制为所描述的精确形式。显然，本领域的普通技术人员根据上述教导做出很多改变和变化都是可能的。选择示例性实施方式并进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员便于理解、实现并利用本发明的各种示例性实施方式及其各种选择形式和修改形式。本发明的保护范围意在由所附权利要求书及其等效形式所限定。

Claims (1)

1.一种基于反距离权重的高分辨力超声频域全聚焦方法，其特征在于，该基于反距离权重的高分辨力超声频域全聚焦方法采用全聚焦信号采集系统(1)和相控阵探头(2)进行全聚焦信号采集获得原始数据；结合采样频率、声速、探头阵元间距，确定待测区域离散网格点之间的位置关系，构建各网格点的反距离权重函数；根据反距离权重函数对原始数据进行插值，扩展频域成像所用全聚焦信号；对扩展后的全聚焦信号进行傅里叶变换，利用横向波数和纵向波数计算迁移因子，通过逐层递推获得高分辨力的频域全聚焦图像，最终实现缺陷检出和定量；具体包括步骤如下：

步骤1.确定检测参数

针对待测样品的材料、形状、尺寸信息以及待检测区域范围，确定相控阵探头(2)的型号、阵元数量和中心频率；

步骤2.采集全聚焦信号

利用全聚焦信号采集系统(1)及阵元数为n、探头阵元间距为l的相控阵探头(2)采集信号，得到包含n²个A扫描信号的全聚焦信号S；将由阵元i发射，阵元j接收的A扫描信号定义为S_ij，其中，1≤i≤n，1≤j≤n；每个A扫描信号具有Nt个数据点，全聚焦信号S维度为n×n×Nt；

步骤3.待测区域网格划分及反距离权重数据扩展

将待测区域离散网格化，网格点即为各成像点位置，共计Nt×n个网格点；相邻网格点横向间隔等于阵元间距l，迁移深度d通过下式得到

式中，v表示待测样品中的声速，fs表示采样频率；

在全聚焦信号S中等间隔设置填充点，填充点处填充幅值为0的A扫描信号，得到扩展后的全聚焦信号S_interp，其维度为N×N×Nt，N为数据扩展后的横向网格点数量，N＞n，共计N×Nt个离散网格点；通过反距离权重函数处理对填充点进行逐点重新赋值；

计算扩展后的全聚焦信号S_interp中各填充点与第p个相邻全聚焦信号数据点的距离dis_p(x_new,y_new)，如下式所示：

式中，x_p、y_p表示第p个相邻全聚焦信号数据点的横坐标、纵坐标，x_new、y_new表示填充点的横坐标、纵坐标；

对a个相邻全聚焦信号数据点进行幅值重构，反距离权重函数ele_p(x_new,y_new)由式3)给出：

填充点的重构幅值A(x_new,y_new)如式4)所示，A_p(x_new,y_new)代表第p个相邻全聚焦信号数据点的幅值；

对S_interp中每个填充点重复进行式2)-4)的流程，得到最终扩展后的全聚焦信号SS_interp，并将SS_interp中信号所对应的阵元称为虚拟阵元；

步骤4.全聚焦频域成像

根据步骤3得到的最终扩展后的全聚焦信号SS_interp，确定重构成像的横向间距xs，xs<l，由式5)和式6)计算纵向波数ω(k)和横向波数kx(kk)：

式中，k的取值范围为(-Nt，Nt)，kk的取值范围为(-N，N)，分别反映了ω和kx变化范围；

将SS_interp拆分为N个Nt×N数值矩阵SS_interp-m，1≤m≤N，经过傅里叶变换后，第m个数值矩阵SS_interp-m转化为阵列频谱FFTS_m，结合迁移深度d，计算迁移因子矩阵F_m，其中各元素F_m(ω,kx)如式7)所示：

同时，以第1个阵元中心为原点建立直角坐标系，计算虚拟阵元位置点到各离散网格点所对应的时间序列T_m(t)：

式中，t代表信号采样序列；

将傅里叶变换后的阵列频谱FFTS_m与迁移因子矩阵F_m相乘，并进行逆傅里叶变换，之后选择对应时间序列T_m中的幅值进行累加，逐层递推得到成像结果P_m；最后，将成像结果P_m进行叠加，得到完整的全聚焦图像P，如式9)所示；

读取全聚焦图像中最强波峰作为缺陷所在位置，在-6dB范围内进行缺陷检测和定量。